DD231270A1

DD231270A1 - PROCESS AND ARRANGEMENT FOR THE LOCAL DETERMINATION OF INDIVIDUAL PLANTS

Info

Publication number: DD231270A1
Application number: DD26931884A
Authority: DD
Inventors: Paul Jakob; Wolfgang Thiel; Harald Albrecht; Juergen Hellebrand; Peter Oberlaender; Klaus-Juergen Berg
Original assignee: Berlin Ing Hochschule
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1985-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Ortsbestimmung einzelnstehender Pflanzen in ihrem Wuchsraum, insbesondere gekoepfter Zuckerruebenpflanzen. Sie dient dem Aufbau automatischer Lenkeinrichtungen zur Fuehrung von Arbeitslementen mobiler Feldarbeitsmaschinen. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlaessigkeit und die Arbeitsqualitaet dieser Maschinen zu erhoehen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die von den Pflanzen und deren Wuchsraum rueckgestreute optische Strahlung nach Durchlaufen eines optischen Systems auf eine zeilenfoermige Anordnung optoelektronischer Elemente trifft, wo sie in analoge elektrische Signale gewandelt wird, die nach entsprechender Signalbearbeitung und Durchlaufen eines Komparators positionsgerecht in den Speicher eines Verarbeitungssystems abgelegt werden, das aus ihnen den Pflanzenstandort ermittelt.The invention relates to a method and a measuring arrangement for determining the position of individual plants in their growth chamber, in particular sugar-coated sugar beet plants. It serves for the construction of automatic steering devices for the guidance of working elements of mobile field working machines. The aim and object of the invention is to increase the reliability and the quality of work of these machines. The essence of the invention is that the optical radiation radiated back from the plants and their growth chamber, after passing through an optical system, strikes a row-like arrangement of optoelectronic elements, where it is converted into analog electrical signals which, after appropriate signal processing and passing through a comparator, positionally correct the storage of a processing system are stored, which determines from them the plant location.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Ortsbestimmung einzelnstehender Pflanzen, insbesondere geköpfterZuckerrübenpflanzen, in ihrem Wuchsraum und dient dem Aufbau automatischer Lenkeinrichtungen zur Führung von Arbeitselementen bei mobilen Feldarbeitsmaschinen.The invention relates to a method and a measuring arrangement for determining the location of individual plants, especially decapitated sugar beet plants, in their growth chamber and serves to construct automatic steering devices for guiding working elements in mobile field working machines.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind zur Bestimmung des Standortes einzelnstehender Pflanzen mechanisch wirkende Anordnungen in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ihnen gemeinsam ist die Verwendung von in der Regel zwei Tasthebeln oder-rädern zwischen den Pflanzenreihen die geführt werden und drehbar oder verschiebbar angeordnet sind, wobei ihre Winkel-oder Weg stellung durch die Berührung mit einem Pflanzenkörper verändert wird. Die weitere Verarbeitung des gewonnenen Weg/Winkelsignales erfolgt mit hydraulischen, elektrischen oder pneumatischen Wandlern. In Deutsche Agrartechnik 11/1972 Seite 487 wird ein solches mechanisches Verfahren für die automatische Lenkung einer Rübenrodemaschine beschrieben.Mechanically acting arrangements in various embodiments are known for determining the location of individual plants. Common to them is the use of usually two feelers or wheels between the rows of plants to be guided and rotatably or slidably disposed, with their angle or position is changed by the contact with a plant body. The further processing of the obtained path / angle signal is carried out with hydraulic, electrical or pneumatic transducers. In German Agricultural Technology 11/1972 page 487 such a mechanical method for the automatic steering of a beet harvesting machine is described.

Allen diesen mechanischen Verfahren haftet der Mangel an, daß die Tasthebel oder-räder, falls sie im Boden geführt werden, einem erheblichen mechanischen Verschleiß ausgesetzt sind und bei hohem Bodenwiderstand kein ausreichender Signalabstand zum mechanischen Gegendruck einer Pflanze vorhanden ist. Ein über dem Boden geführtes Hebelsystem kann nur solche Pflanzen erfassen, die den Boden um ein gewisses Mindestmaß überragen. Bei geköpften Zuckerrübenpflanzen ist dies beispielsweise nicht gewährleistet.All these mechanical methods have the defect that the feeler levers or wheels, if guided in the ground, are subject to considerable mechanical wear and, in the case of high soil resistance, there is no sufficient signal distance to the mechanical back pressure of a plant. An over-the-ground lever system can only detect those plants that exceed the ground by a certain minimum. For beheaded sugar beet plants, for example, this is not guaranteed.

Neben den mechanisch-abtastenden Verfahren ist auch noch ein berührungslos arbeitendes Verfahren bekannt. Nach SU-PS 871751 wird über ein Antennensystem ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld im Wellenlängenbereich der ultrakurzen Radiowellen erzeugt, das beim Überstreichen einer Pflanzenreihe eine Dämpfung erfährt, welche gemessen und ausgewertet wird.In addition to the mechanical-scanning method, a non-contact method is also known. According to SU-PS 871751 a high-frequency electromagnetic field in the wavelength range of ultrashort radio waves is generated via an antenna system, which undergoes attenuation when sweeping a row of plants, which is measured and evaluated.

Nachteilig ist dabei die relativ zu den Pflanzenabmessungen große Wellenlänge der Strahlung, die eine Einzelerfassung von Pflanzen nicht mit ausreichender Sicherheit ermöglicht, sondern nur eine grobe Reihenführung gewährleistet. Die Anwendung entsprechend kurzwelliger Strahlung etwa im 10Ghz-Bereich würde den erforderlichen apparativen Aufwand über ein sinnvolles Maß hinaus erhöhen.A disadvantage is the relative to the plant dimensions large wavelength of the radiation, which does not allow an individual detection of plants with sufficient security, but only ensures a rough row guidance. The application according to short-wave radiation in the 10 GHz range would increase the required expenditure on equipment beyond a reasonable level.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßanordnung für ejne hinreichend genaue und schnelle Ortsbestimmung von einzelnstehenden Pflanzen zu entwickeln, auf deren Basis automatische Lenksysteme an mobilen Feldarbeitsmaschinen aufgebaut werden, die zuverlässig arbeiten und eine höhere Arbeitsqualität ermöglichen.The aim of the invention is to develop a method and a measuring arrangement for a sufficiently accurate and rapid location of individual plants, based on which automatic steering systems are built on mobile field working machines that work reliably and allow a higher quality of work.

larlegung des Wesens der ErfindungPresentation of the essence of the invention

)er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Standord einzelnstehender Pflanzen, insbesondere geköpfter !uckerrübenpflanzen, innerhalb ihres Wuchsraumes berührungslos und mit für die Steuerung von Arbeitselementen linreichender Genauigkeit innerhalb einer durch Fahrgeschwindigkeit und Pflanzenabstand bedingten geringen Zykluszeit zu lestimmen.) The invention is based on the object of determining the position of individually standing plants, in particular headed sugar beet plants, within their growth space without contact and with accuracy sufficient for the control of working elements within a short cycle time caused by driving speed and crop spacing.

irfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die von den Pflanzen und deren umgebenden Wuchsraum ückgestreuten optischen Strahlen ein optisches System durchlaufen, welches ein Objekt enthält, das bei einem vorgegebenen Abstand zwischen Objekt und Pflanze den Variationsbereich des geometrischen Standortes einer Pflanze orthogonal zur ^:ahrtrichtung der Feldarbeitsmaschine einschließlich eines Teiles des umgebenden Wuchsraumes auf eine Anordnung iptoelektronischer Elemente abbildet.irfindungsgemäß the object is achieved in that the ückgestreuten of the plants and their surrounding growing space optical beams pass through an optical system including an object that the variation range of the geometric location of a plant orthogonal to at a predetermined distance between the object and the ^plant: ahrtrichtung the Field working machine including a part of the surrounding growth space on an array of iptoelektronischer elements maps.

)iese optoelektronischen Elemente sind in einer oder mehreren Zeilen orthogonal zur Fahrtrichtung angeordnet, wobei ihre Zahl nindestens so groß ist, daß die Auflösung der Abbildung eine hinreichend sichere Unterscheidung zwischen Pflanze und Vuchsraum ermöglicht. Je nach Pflanzenart und optischen Bedingungen liegt diese Zahl vorzugsweise im Bereich 16-256. Eine »konomisch günstige Ausführung wird durch Anordnung der optoelektronischen Elemente auf einer monolithisch integrierten Schaltung erreicht.) These optoelectronic elements are arranged in one or more lines orthogonal to the direction of travel, wherein their number is at least so large that the resolution of the image allows a sufficiently safe distinction between plant and Vuchsraum. Depending on the plant species and optical conditions, this number is preferably in the range 16-256. An economically feasible design is achieved by arranging the optoelectronic elements on a monolithic integrated circuit.

)ie optoelektronischen Elemente setzen die jeweiligen Beleuchtungsstärken in analoge elektrische Signale um. Diese Signale verden in einem bestimmten durch eine Zeitablaufsteuerung festgelegten Zyklus abgerufen und seriell mit dem Schwellwert lines Komparators verglichen, an dessen Ausgang die elektrischen Signale, welche von den der Pflanze zugeordneten iptoelektronischen Elementen abgegeben werden, den logischen Wert 1 (0) annehmen und die elektrischen Signale, welche von len dem umgebenden Wuchsraum zugeordneten optoelektronischen Elementen abgegeben werden, den inversen logischen Vert 0(1) annehmen. Um Schwankungen der Beleuchtungsstärke zu kompensieren, wird der Schwellwert des Komparators lutomatisch nach dem Absolutwert der Beleuchtungsintensität gesteuert.The optoelectronic elements convert the respective illuminance into analog electrical signals. These signals are fetched in a particular cycle determined by a timing control and serially compared with the threshold line comparator at the output of which the electrical signals given by the iptoelectronic elements associated with the plant assume the logical value 1 (0) and the electrical signals Signals which are emitted by the optoelectronic elements assigned to the surrounding growth space assume the inverse logical Vert 0 (1). In order to compensate for fluctuations in illuminance, the threshold value of the comparator is controlled lutomatically according to the absolute value of the illumination intensity.

)ie binären Ausgangswerte des Komparators werden der geometrischen Anordnung der optoelektronischen Elemente sntsprechend in einem binären Speichersystem abgelegt. Der Speicher enthält damit im Falle der Anordnung von m »ptoelektronischen Elementen in einer Zeile ein binarisiertes Abbild des Verlaufes der Leuchtdichte y_o,n...y_m,n orthogonal zur ^:ahrtrichtung χ zum Zeitpunkt t_n für den Fahrstreckenpunkt X_n. Im folgenden Zeitintervall t_n+1 = t_n + At, indem durch die Vorwärtsbewegung der mit der Feldarbeitsmaschine verbundenen Meßeinrichtung mit der Geschwindigkeit ν die Strecke Ax = v· At zurückgelegt wird, werden die elektrischen Signaley_o,_n+i- ..y_m,n+i abgerufen. Durch weitere Wiederholungen sntsteht im Speicher ein rhatrixförmiges binäres Abbild der Leuchtdichteverteilung über einer kompletten Pflanze mit imgebenden Wuchsraum.The binary output values of the comparator are stored in a binary memory system corresponding to the geometric arrangement of the optoelectronic elements. The memory thus contains in the case of the arrangement of m »ptoelektronischen elements in a line of a binarized image of the profile of the luminance y _o, n ... y _m, n orthogonal ^to: ahrtrichtung χ at the time t _n for the route point X _n. In the following time interval t _{n + 1} = t _n + Δt, by the distance Ax = v · At being traversed by the forward movement of the measuring device connected to the field working machine at the speed ν, the electrical signals y _o , _n + i- ..y _m , n + i retrieved. Through further repetitions, a rhodium-shaped binary image of the luminance distribution over a complete plant with an imposing growth space is located in the memory.

)ie Auswertung der binären Meßdaten zum Zwecke der Bestimmung der zur Fahrtrichtung orthogonalen y-Koordinate der flanze erfolgt im einfachsten Fall durch autonome Auswertung jeder abgespeicherten Meßzeile, indem eine arithmetische yiittelung über den Adreßbereich der der Pflanze zugeordneten Binärwerte vorgenommen wird. Zur Bestimmung der x- und '-Koordinaten der Pflanze und oderzur Erhöhung der Meßsicherheit der Bestimmung dery-Koordinate wird die Auswertung der ibgespeicherten Meßdaten auf die Meßdatenmatrix erstreckt, wobei eine Mittelung über die zur Pflanze gehörenden Werte iowohl in y-, als auch in x-Richtung erfolgt. Schließlich wird ein Vergleich des ermittelten Pflanzenstandortes relativ zur Lage des mtsprechenden Bearbeitungswerkzeuges der Feldarbeitsmaschine durchgeführt und ab einer bestimmten Abweichung ein Steuerbefehl ausgelöst. Dieser Auswertungsalgorithmus wird vorzugsweise durch ein Prozessorsystem basierend auf lochintegrierten Schaltkreisen mit kleiner Verarbeitungszeit abgearbeitet. Zur Erhöhung der Meßsicherheit dient ein in den Strahlengang installiertes optisches Filter oder eine Kombination optischer Filter, die von jenen spektralen Anteilen der jptischen Strahlung möglichst ungedämpft passiert werden, in denen die Differenz der Leuchtdichte der betreffenden flanzenart und der des umgebenden Wuchsraumes ein relatives Maximum hat.The evaluation of the binary measurement data for the purpose of determining the y-coordinate of the plant orthogonal to the direction of travel is effected in the simplest case by autonomous evaluation of each stored measurement line by performing an arithmetic average over the address range of the binary values assigned to the plant. In order to determine the x and 'coordinates of the plant and / or to increase the measurement reliability of the determination of the y-coordinate, the evaluation of the stored measurement data is extended to the measurement data matrix, wherein an averaging over the values belonging to the plant lies in both y- and x Direction. Finally, a comparison of the determined plant location is carried out relative to the position of the mtsprechenden processing tool of the field working machine and triggered a control command from a certain deviation. This evaluation algorithm is preferably executed by a processor system based on hole-integrated circuits with a small processing time. To increase the reliability of measurement installed in the beam path optical filter or a combination of optical filters that are passed as undamped by those spectral components of the Japanese radiation in which the difference in luminance of the relevant flanzenart and the surrounding growth space has a relative maximum.

lusführungsbeispieilusführungsbeispiei

Die Erfindung soll nachstehend am Ausführungsbeispiel eines Meßsystems zur Standortbestimmung geköpfter Rübenpflanzen läher erläutert werden. Dieses System wurde für die automatische Einzelführung der Rodewerkzeuge einer mehrreihigen töbenrodemaschine konzipiert. Es zeigt: ^:ig. 1 Schema der SignalverarbeitungThe invention will be explained below runter on the embodiment of a measuring system for the location of beheaded beet plants. This system was designed for the automatic single guidance of the lifting tools of a multi-row towing machine. It shows ^: ig. 1 scheme of signal processing

)as von der geköpften Rübenoberfläche 1 und dem umgebenden Erdreich 2 rückgesteuerte Tageslicht gelangt in eine über der f lanzenreihe geführten Sammellinse 3. Abstand und Brennweite sind so abgestimmt, daß orthogonal zur Fahrtrichtung der /ariationsbereich des Rübenstandortes und ein auswertbarer Teil des angrenzenden Erdreiches erfaßt werden. Unter der Sammellinse 3 ist ein Blaufilter 4 angeordnet, das für die blauen Spektralanteile des Lichtes durchlässig ist. Wie sntsprechende Versuche zeigten, ist in diesem Bereich der Leuchtdichteunterschied zwischen geköpfter Rübenoberfläche 1 und lmgebendem Erdreich 2 einschließlich aller Verunreinigungen (Blattreste, Steine usw.) besonders ausgeprägt. Die Lichtstrahlen reffen schließlich auf eine lineare Anordnung von 256 optoelektronischer Elementen in Form einer monolithisch integrierten Jensorzeile 5. Die der Beleuchtungsstärke proportionalen Spannungen der einzelnen Elemente werden innerhalb eines */!eßzyklus seriell einem Komparator 6 zugeführt, der TTL-gerechte binäre Ausgangsspannungen erzeugt. Sein Schwellwert ist io eingestellt, daß die von der Rübenoberfläche 1 stammenden Meßwerte Η-Pegel erzeugen, die Meßwerte des umgebenden Erdreiches 2 hingegen L-Pegel. Die Komparatorschwelle wird von dem Absolutwert des Tageslichtes, welcher über den jhotoelektrischen Geber 11 aufgenommen und im Verstärker 12 aufbereitet wird, gesteuert. Die Taktsteuerung der Sensorzeile ι wird von einer separaten Zeitablaufsteuerung 7 übernommen, die mit dem auswertenden Prozessorsystem 8 synchronisiert st. Die Ausgangsdaten des Komparators 6 werden im Arbeitsspeicher 9 des Prozessorsystems 8, das als Einchiprechner lusgeführt ist, positionsgerecht abgelegt. Aus den Positionen mit dem Inhalt Η-Pegel wird der Standort der entsprechenden iübenpflanze bestimmt. Der Vergleichswert zur Werkzeugsteuerung ist durch die feste Kopplung des optischen Systems mit lern zugehörigen Rodewerkzeug gegeben. Bei signifikanter Abweichung des ermittelten Pflanzenstandortes vom /ergleichswertwird ein entsprechender Stellbefehl an die Stelleinrichtung 10 des zugehörigen Rodewerkzeuges abgegeben.The daylight returned from the topped beet surface 1 and the surrounding soil 2 passes into a converging lens 3. The distance and focal length are adjusted so that the area of the beet location and an evaluable part of the adjoining soil are detected orthogonal to the direction of travel , Under the converging lens 3, a blue filter 4 is arranged, which is transparent to the blue spectral components of the light. As has been shown by suitable experiments, in this area the luminance difference between the decapitated beet surface 1 and the underlying soil 2 including all impurities (leaf residues, stones, etc.) is particularly pronounced. Finally, the light beams reefen to a linear array of 256 optoelectronic elements in the form of a monolithically integrated Jensor line 5. The voltages of the individual elements, which are proportional to the illuminance, are fed serially to a comparator 6 within a measuring cycle which produces TTL-compliant binary output voltages. Its threshold value is set so that the measured values derived from the beet surface 1 produce Η levels, whereas the measured values of the surrounding soil 2 are L levels. The comparator threshold is controlled by the absolute value of the daylight, which is received via the jhotoelectric encoder 11 and processed in the amplifier 12. The clock control of the sensor line 1 is taken over by a separate timing controller 7, which is synchronized with the evaluating processor system 8. The output data of the comparator 6 are stored in the working memory 9 of the processor system 8, which is lusgeführt as Einchiprechner, positionally. From the positions with the content Η-level the location of the respective overgrowth plant is determined. The comparison value for the tool control is given by the fixed coupling of the optical system with learning associated Rodewerkzeug. In the event of significant deviation of the determined plant location from the equal value, a corresponding setting command is issued to the setting device 10 of the associated harvesting tool.

Claims

claims:

1. A method and arrangement for determining the location of individual plants, especially beheaded sugar beet plants in their growth chamber, characterized in that of the plants and their surrounding growth space backscattered optical radiation passes through an optical system and is picked up by a particular arrangement of optoelectronic elements whose illuminance analog electrical Be time-cyclically retrieved and serially compared with the threshold value of a comparator (6), at whose output the electrical signals which are emitted by the optoelectronic elements associated with the plant, the logical value 1 (0) and the electrical signals, which of the delivered to the surrounding growth space associated optoelectronic elements, the inverse logical value 0 (1) and accept these binary values of the electrical signals of the geometric arrangement of the optoelectronic elements according to a binary spoke filed and processed by an on-line evaluation system.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the optoelectronic elements are arranged in one or more lines orthogonal to the direction of travel on the field working machine and that their number is at least so great that the resolution of the image allows a sufficiently safe distinction between the plant and growth chamber ,

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the row or matrix-shaped arranged opto-electronic elements are located on a monolithic integrated circuit.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the optical system consists of a lens with such a Bildbildigsmaßstab that is mapped orthogonal to the direction of travel including a portion of the surrounding growth space at a given variation range of the geometric location of a plant.

5. Arrangement according to claim 1, characterized in that in the beam path of the backscattered light one or more optical filters are introduced, which are passed as undamped by those spectral components of the optical radiation, in which the difference in the luminance of the relevant plant species and the surrounding growth chamber has a relative maximum.

6. The method according to claim 1, characterized in that the threshold value of the comparator (6) is automatically controlled by the absolute value of the illumination intensity.

7. The method according to claim 1, characterized in that for evaluating the binary measurement data, which is preferably carried out in a processor system (8) determines the plant location by arithmetic averaging over the address range of the plant associated binary values, a comparison of the determined plant location relative to Location of the machining tool performed and a control command is triggered with a corresponding deviation.

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